При бурении в интервалах распространения ММП в результате совме­стного физико-химического воздействия и эрозии на стенки скважины сцементированные льдом песчано-глинистые отложения разрушаются и легко размываются потоком бурового раствора. Это приводит к интенсив­ному кавернообразованию и связанным с ним обвалам и осыпям горных пород.

Наиболее интенсивно разрушаются породы с низким показателем льдистости и слабоуплотненные породы. Теплоемкость таких пород невы­сокая, и поэтому их разрушение происходит существенно быстрее, чем по­род с высокой льдистостью.

Среди мерзлых пород встречаются пропластки талых пород, многие из которых склонны к поглощениям бурового раствора при давлениях, незна­чительно превышающих гидростатическое давление столба воды в скважи­не. Поглощения в такие пласты бывают весьма интенсивные и требуют специальных мероприятий для их предупреждения или ликвидации.

В разрезах ММП обычно наиболее неустойчивы породы четвертичного возраста в интервале 0 — 200 м. При традиционной технологии бурения фактический объем ствола в них может превосходить номинальный в 3 — 4 раза. В результате сильного кавернообразования, которое сопровождает­ся появлением уступов, сползанием шлама и обвалами пород, кондукторы во многих скважинах не были спущены до проектной глубины.

В результате разрушения ММП в ряде случаев наблюдалось проседа­ние кондуктора и направления, а иногда вокруг устья скважины образовы­вались целые кратеры, не позволяющие вести буровые работы.

В интервале распространения ММП трудно обеспечить цементирова­ние и крепление ствола вследствие создания застойных зон бурового рас­твора в больших кавернах, откуда его невозможно вытеснить тампонаж-ным раствором. Цементирование зачастую одностороннее, а цементное кольцо несплошное. Это порождает благоприятные условия для межпласто-вых перетоков и образования грифонов, для смятия колонн при обратном промерзании пород в случае длительных простоев скважины.

Процессы разрушения ММП достаточно сложные и мало изученные. Циркулирующий в скважине буровой раствор термо- и гидродинамически взаимодействует как с горной породой, так и со льдом, причем это взаимо­действие может существенно усиливаться физико-химическими процесса­ми (например, растворением), которые не прекращаются даже при отрица­тельных температурах.

В настоящее время можно считать доказанным наличие осмотических процессов в системе порода (лед) — корка на стенке скважины — промы­вочная жидкость в стволе скважины. Эти процессы самопроизвольные и направлены в сторону, противоположную градиенту потенциала (темпера­туры, давления, концентрации), т.е. стремятся к выравниванию концентра­ций, температур, давлений. Роль полупроницаемой перегородки может вы­полнять как фильтрационная корка, так и прискважинный тонкий слой са­мой породы. А в составе мерзлой породы кроме льда как цементирующего ее вещества может находиться незамерзающая поровая вода с различной степенью минерализации. Количество незамерзающей воды в ММП зави­сит от температуры, вещественного состава, солености.

Из-за наличия в открытом стволе скважины промывочного бурового раствора, а в ММП — поровой жидкости с определенной степенью мине­рализации наступает процесс самопроизвольного выравнивания концен­траций под действием осмотического давления. В результате этого может происходить разрушение мерзлой породы. Если буровой раствор будет иметь повышенную по сравнению с поровой водой концентрацию какой-нибудь растворенной соли, то на границе лед — жидкость начнутся фазо­вые превращения, связанные с понижением температуры плавления льда, т.е. начнется процесс его разрушения. А так как устойчивость стенки скважины зависит в основном от льда, как цементирующего породу веще­ства, то в этих условиях устойчивость ММП, слагающих стенку скважины, будет потеряна, что может явиться причиной осыпей, обвалов, образования каверн и шламовых пробок, посадок и затяжек при спускоподъемных опе­рациях, остановок спускаемых в скважину обсадных колонн, поглощений буровых промывочных и тампонажных растворов.

Если степени минерализации бурового раствора и поровой воды ММП одинаковы, то система скважина — порода будет находиться в изотониче­ском равновесии, и разрушение ММП под физико-химическим воздейст­вием маловероятно.

С увеличением степени минерализации промывочного агента возни­кают условия, при которых поровая вода с меньшей минерализацией будет перемещаться из породы в скважину. Из-за потерь иммобилизованной во­ды механическая прочность льда будет уменьшаться, лед может разрушить­ся, что приведет к образованию каверны в стволе бурящейся скважины. Этот процесс интенсифицируется эрозионным воздействием циркулирую­щего промывочного агента.

Разрушение льда соленой промывочной жидкостью отмечено в рабо­тах многих исследователей. Эксперименты, проведенные в Ленинградском горном институте, показали, что с увеличением концентрации соли в омы­вающей лед жидкости разрушение льда интенсифицируется. Так, при со­держании в циркулирующей воде 25 и 100 кг/м3 NaCl интенсивность раз­рушения льда при температуре минус 1 °С составляла соответственно 0,0163 è 0,0882 êã/÷.

На процесс разрушения льда влияет также длительность воздействия соленой промывочной жидкости. Так, при воздействии на лед 3%-ным рас­твором NaCl потеря массы образца льда с температурой минус 1 °С соста­вила: 0,62; 0,96 и 1,96 г соответственно через 0,5; 1,0 и 1,5 ч.

По мере растепления прискважиннои зоны ММП освобождается часть ее порового пространства, куда также может фильтроваться промывочная жидкость или ее дисперсионная среда. Этот процесс может оказаться еще одним физико-химическим фактором, способствующим разрушению ММП. Он может сопровождаться осмотическим перетоком жидкости из скважин в породу, если концентрация какой-нибудь растворимой соли в жидкости ММП больше, чем в жидкости, заполняющей ствол скважины.

Следовательно, чтобы свести к минимуму отрицательное влияние фи­зико-химических процессов на состояние ствола бурящейся в ММП сква­жины, необходимо, в первую очередь, обеспечить равновесную концентра­цию на стенке скважины компонентов бурового промывочного раствора и внутрипоровой жидкости в ММП.

К сожалению, это требование не всегда выполнимо на практике. По­этому чаще прибегают к защите цементирующего ММП льда от физико-

химического воздействия буровым раствором пленками вязких жидкостей, которые покрывают не только обнаженные скважиной поверхности льда, но и частично прилегающее к скважине внутрипоровое пространство, раз­рывая тем самым непосредственный контакт минерализованной жидкости со льдом.

Как указывают А.В. Марамзин и А.А. Рязанов, при переходе от про­мывки скважин соленой водой к промывке более вязким глинистым рас­твором интенсивность разрушения льда уменьшилась в 3,5 — 4 раза при одинаковой концентрации в них NaCl. Она снижалась еще больше, когда буровой раствор обрабатывали защитными коллоидами (КМЦ, ССБ). Под­тверждена также положительная роль добавок к буровому раствору высо­коколлоидного бентонитового глинопорошка и гипана.

Таким образом, для предупреждения кавернообразования, разрушения устьевой зоны, осыпей и обвалов при бурении скважин в ММП буровой промывочный раствор должен отвечать следующим основным требованиям:

обладать низким показателем фильтрации;

содержать количество солей, равновесное с жидкостью в ММП;

обладать способностью создавать на поверхности льда в ММП плот­ную, непроницаемую пленку;

обладать низкой эрозионной способностью;

иметь низкую удельную теплоемкость;

образовывать фильтрат, не создающий с жидкостью породы истинных растворов;

быть гидрофобным к поверхности льда.

Обратите внимание: